Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
Важливість цих проблем виходить за рамки питання про характер порушення электрослабой симетрії. Теорія
электрослабых взаи-
155
модействий дала нам розуміння того, що всі частки стандартної моделі, за винятком хиггсовских часток,
здобувають свої маси за рахунок порушення симетрії між слабкими й електромагнітними силами. Якби ми могли
якимсь способом виключити це порушення симетрії, то електрон, частки W, Z і всі кварки стали б безмасовими,
як фотон або нейтрино. Тому загадка походження мас елементарних часток є частина проблеми розуміння
механізму спонтанного порушення электрослабой симетрії. У первісній версії стандартної моделі хиггсовская
частка - єдина, маса якої безпосередньо входить у рівняння теорії, порушення электрослабой симетрії
надає всім іншим часткам маси, пропорційні масі хиггсовской частки. Але в нас немає впевненості, що всі
обстоит так просто.
З'ясування механізму порушення электрослабой симетрії важливо не тільки у фізику, але й при спробах зрозуміти
ранню історію нашому Всесвіту. Так само, як можна знищити всяку намагніченість шматка заліза й відновити
симетрію між різними напрямками, усього лише нагрівання цей шматок вище 770° С, так само й симетрію між
слабкими й електромагнітними силами можна відновити, піднявши температуру в лабораторії до декількох мільйонів
трильйонів (1015) градусів (порядку 100 Гэв в енергетичних одиницях). При таких температурах симетрія буде вже не
схованої, а буде явно проявлятися у властивостях всіх часток стандартної моделі. (Наприклад, при таких температурах
електрони, W, Z і всі кварки стануть безмасовими.) Подібні температури порядку 1015 До неможливо створити в
лабораторії, їх навіть не знайти в центрі самих гарячих зірок. Але відповідно до найпростішої версії загальноприйнятої
космологічної теорії Великого вибуху приблизно 10-20 мільярдів років тому існував момент, коли
температура Всесвіту була нескінченно велика. Приблизно через 10~10 з послу цього початкового моменту температура
Всесвіту впала до 1015 ДО, і із цього часу порушилася симетрія між слабкими й електромагнітними силами.
Швидше за все, це порушення симетрії не відбулося одномоментно й скрізь однаково. У більше знайомі нам
прикладах «фазових переходів», скажемо, замерзанні води або намагнічуванні шматка заліза, перехід може відбутися в
одному місці трохи раніше або трохи пізніше, ніж в іншому, і відбуватися в різних місцях ледве по-різному, що видно,
наприклад, при утворенні окремих маленьких кристаликів льоду або магнітних доменов з різними напрямками
намагніченості. Такого роду ускладнення при электрослабом фазовому переході можуть привести до різним спостережуваних
ефектам, наприклад, вплинути на поширеність легких елементів, створених декількома хвилинами через. Однак
зрозуміти це неможливо, поки не зрозумілий сам механізм порушення электрослабой симетрії.
156
Порушення симетрії між слабкими й електромагнітними взаємодіями дійсно існує, тому що
теорія, заснована на цьому принципі, діє, тобто дозволяє зробити багато успішних пророкувань про властивості часток
W і Z і про стерпні ними силах. Але ми не можемо бути до кінця впевнені, що электрослабая симетрія порушується
вакуумною величиною якогось поля, уведеного в теорію, або що хиггсовская частка реально існує. Щось
обов'язково повинне бути включене в электрослабую теорію, щоб порушити симетрію, але цілком можливо, що це
порушення обумовлене непрямим впливом якихось сверхсильных взаємодій нового типу168, які не
діють на звичайні кварки або електрони й нейтрино, і тому ще не виявлені. Подібні теорії були розвинені
ще наприкінці 70-х р.169, але в них виникають свої проблеми. Завдання споруджуваних надпотужних прискорювачів - дозволити цю
загадку.
На цьому історія спонтанного порушення симетрії не кінчається. Ця ідея зіграла свою роль при спробі об'єднати
у рамках єдиної схеми слабкі й електромагнітні взаємодії із третім - сильною ядерною взаємодією.
Стандартна модель пояснює очевидне розходження між електромагнітними й слабкими взаємодіями як результат
спонтанного порушення симетрії. Але це, мабуть, не так відносно сильних взаємодій. Навіть на рівні
рівнянь стандартної моделі не існує симетрії, що зв'язує сильні ядерні сили з електромагнітними й
слабкими силами. Починаючи з 70-х рр., не припиняються пошуки теорії, що узагальнює стандартну модель, у якій як
сильні, так і электрослабые взаємодії були б об'єднані одною більше широкої й спонтанно порушеною групою
симетрії170.
Є очевидне заперечення проти всякої подібної спроби об'єднання взаємодій. У рамках будь-якої теорії поля
інтенсивність взаємодії залежить від числових параметрів двох типів: від мас (якщо вони є) часток типу W, Z,
переносящих взаємодію, і певних чисел, називаних константами зв'язку або константами взаємодії й
характеризующих імовірність випущення й поглинання часток, подібних до фотонів, глюонам, W і Z, у ядерних реакціях.
Маси виникають у результаті спонтанного порушення симетрії, але константи взаємодії - це числа, що входять в
вихідні рівняння теорії. Будь-яка симетрія, що зв'язує сильні, електромагнітні й слабкі взаємодії, навіть
після спонтанного порушення буде приводити до точної рівності всіх констант взаємодії, тобто до рівності
интенсивностей сильних і электрослабых взаємодій (якщо належним чином визначити спосіб їхнього порівняння).
Гадані розходження між интенсивностями потрібно буде тоді приписати спонтанному порушенню симетрії,
часток, що приводить до різниці в масах-переносників
157
взаємодії, у повній аналогії з тим, як у стандартній моделі різниця між електромагнітними й слабкими
силами обумовлена порушенням электрослабой симетрії, у результаті якого в часток W і Z виходять дуже
більші маси, а фотон залишається безмасовим. Але ясно, що інтенсивності сильних ядерних і електромагнітних
взаємодій не рівні один одному - сильні взаємодії, як це треба із самої їхньої назви, набагато сильніше
електромагнітних, навіть незважаючи на те, що обоє цих взаємодії переносяться безмасовими частками, глюонами й
фотонами.
В 1974 р. виникла ідея, як перебороти зазначену перешкоду171. Насправді, константи взаємодії всіх типів
залежать, хоча й дуже слабко, від енергій процесів, у яких ці константи виміряються. У будь-якій теорії, що поєднує
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка